автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Разработка автоматизированной системы расчета и оптимизации эксергетического баланса химико-технологических систем

На правах рукописи

р Г В 0:1

1 0 4Б8в№ ий Ян Станиславович

Разработка автоматизированной системы расчета и оптимизации эксергетического баланса химико-технологических систем

05.13.16 — Применение вычислительной техники, математического моделировании и математических методов в научных исследованиях (химия)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1998

Работа выполнена на кафедре кибернетики химико-тсхнологических процессов Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Бобров Д. А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Володин В. М.; кандидат технических наук Новиков Э. А.

Ведущая организация - Всероссийский научно-исследовательский институт организации, управления и экономии в нефтегазовой промышленности (ВНИИОЭНГ).

Защита состоится 12 998 г.

в "/ 6" час. в аудитории на заседа1ши

диссертационного совета Д 053.34.08 в Российском химико-технологическом университете им. Д. И. Менделеева по адресу: 125047, г. Москва, А-47, Миусская пл., д.9.

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-информационном центре РХТУ им. Д. И. Менделеева.

Автореферат разослан_ 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Бобров Д. А.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Экономия топливно-энергетических ресурсов тается главным направлением научно-технического прогресса в химической шологии, т. к. известно, что в химических производствах расход энергии ставляет основную часть затрат в себестоимости готовой продукции, юледнее наиболее актуально при увеличении объемов производства мической продукции, создании сложных химико-технологических систем :ТС) с агрегатами большой единичной мощности.

Одним из основных методов снижения энергозатрат производства по )аву считается применение термодинамического анализа, который позволяет шти разнообразные технические приемы экономии энергоресурсов, начиная с зостейших методов и до внесения кардинальных изменений в технологию. В »стоящее время разработан наиболее современный и прогрессивный вариант ;рмодинамического анализа - эксергетический метод, который позволяет мразить в одинаковых единицах (через эксерппо) энергетическую ценность отоков вещества и энергии, учитывая тем самым их количество и качество.

К сожалению, на практике широкое внедрение эксергетического метода нализа ХТС сдерживается отсутствием инструментальных средств и пециализированного программного обеспечения, поскольку эксергетический налго любой ХТС, минимизация ее энергозатрат, а тем более автоматизация акого процесса невозможна без использования средств вычислительной ехнгаси. Поэтому, необходимость разработки автоматизированной системы ¡асчета и оптимизации эксергетического баланса ХТС произвольной структуры I её основной части - программно-алгоритмического обеспечения, )риентированной на широкий круг пользователей, является актуальной »дачей.

IIель работы. Целью настоящей работы является разработка гибкой интерактивной автоматизированной системы эксергетического анализа, расчета

и оптимизации ХТС путем достижения максимального эксергетического КПД для минимизации энергозатрат производства. Разработка системы производится с использованием современных методов математического моделирования и применением прогрессивных инструментальных средств, реализующих дружественный интерфейс пользователя. В ходе работы над поставленной проблемой определены и решены следующие задачи:

• определение логико-функциональной структуры автоматизированной системы;

• разработка алгоритмов структурного анализа, расчета эксергетического баланса и эксергетического КПД ХТС;

• определение и анализ основных программных модулей, входящих в состав единого программного комплекса автоматизированного расчета и оптимизации ХТС, разработка структуры и интерфейса взаимодействия программных модулей;

• реализация автоматизированной системы эксергетического расчета и оптимизации ХТС в виде единого прикладного программного комплекса, определение необходимых аппаратных требований и условия функционирования программного комплекса;

• проверка работоспособности созданного прикладного программного обеспечения при решении практической задачи расчета и оптимизации ХТС нефте-газопереработки и других производств.

Научная новизна работы.

• определена структура единого комплекса программ, включающего в себя взаимосвязанные подсистемы расчета материально-теплового, эксергетического баланса ХТС и его оптимизации;

• разработаны новые алгоритмы структурного анализа и расчета эксергетического баланса и эксергетического КПД ХТС. заключающиеся в выделении групп потоков с однородными

признаками и обратном, постадайном, циклическом переборе эксергетических потоков с запоминанием маршрута следования;

• предложен и разработан подход к проблеме создания единого интерфейса взаимодействия различных подсистем в рамках общего программного комплекса;

• создан комплекс программного обеспечения в виде автоматизированной системы, используемый для решения широкого класса задач в области химической технологии.

Практическая ценность.

• программный пакет предназначен для анализа, расчета и оптимизации используемых энергоресурсов ныне действующих и вновь разрабатываемых химических производств, при решении задач управления и проектирования ХТС, также может использоваться как самостоятельный инструмент исследования;

• разработана база данных физико-химических и эксергетических свойств веществ, являющаяся составной частью программного комплекса, которая может применяться независимо, как источник необходимой информации при расчетах термодинамических характеристик и разработках новых систем;

• решена задача оптимального использования и экономии энергоресурсов на Оренбургском газоперерабатывающем заводе. Выданы конкретные рекомендации, подтверждающие необходимость внесения ряда изменений в технологический процесс;

• разработанный программно - алгоритмический комплекс автоматизированного эксергетического анализа ХТС был передан институту АО "ВНИИГАЗ", ОАО "ВНИИОЭНГ", АО "НИИЦемент" для расчета эксергетических характеристик

материалов и процессов в конкретных технологических производствах.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

• XI Международная конференция молодых ученых по химии и химической технологии МКХТ - 97 (г. Москва, 1997);

• 1-е международное совещание по химии и технологии цемента (г. Москва, 1996);

• Международная конференция "Промышленность стройматериалов и стройиндустрия, энерго- и ресурсосбережение в условиях рыночных отношений" (г. Белгород, 1997).

Публикации. По теме диссертации опубликовано семь печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка используемой литературы, содержащего 107 наименований и приложений. Работа изложена на 122 страницах печатного текста, включает 19 рисунков и 7 таблиц.

Содержание работы

В первой главе приведен аналитический обзор концепций современных методов термодинамического анализа сложных ХТС. Рассмотрен наиболее перспективный эксергетический метод. Даны теоретические основы метода и рассмотрено его применение в химической технологии. Доказана целесообразность выбора эксергетическош КПД как показателя степени энергетического совершенства технологических процессов для решения задачи оптимизации использования энергоресурсов ХТС. Обоснована важность и актуальность применения средств вычислительной техники для решения

поставленной проблемы. Предложена схема моделирования задачи эксергетического анализа, отображенная на рисунке 1.

В главе проделан литературный обзор, представлен целый ряд современных методов и программных средств эксергетического анализа. Рассмотрены преимущества и недостатки таких известных инструментальных систем с возможностью эксергетического расчета ХТС, как Aspen Plus (фирма "AspenTech"), Exercom (компания "Stork Engineers & Contractors"), Hysim и Hysys (фирма "Hyprotech"), PRO/TI (фирма "Simulation Sciences Inc."), Gate/cycle (компания "Stork Engineers & Contractors"). Сделан аргументированный выбор в пользу реализации автоматизированной системы эксергетического расчета. В результате проведенного анализа определены цели и основные задачи настоящей работы, а также возможные пути решения поставленной проблемы.

анализа ХТС

Во второй главе детально проработан вопрос структурной декомпозиции ХТС с описанием ее потоков и элементов. Декомпозиция структуры исследуемой ХТС при эксергетическом анализе заключается в выделении ключевых ее элементов - множества потоков и стадий. Это широко

распространенная задача решается путем описания структуры ХТС матрицей следования, М(г,/)=£, /:=1..Ж, £:=0,1,2..и, здесь Ш, АТ^ -

количество стадий и потоков соответственно, к - количество параллельных аппаратов на стадиях. При структурном анализе ХТС принято, что каждый ее поток имеет уникальный номер. При эксергетическом анализе необходимо, чтобы было определено однозначное соответствие между входными и выходными потоками каждой стадии, требуемое для определения изменения эксергетических составляющих потоков в ходе процесса.

Для решения этой задачи в систему была введена дополнительная информация, описывающая структуру и свойства эксергетических потоков; были определены и введены дополнительные вектора и матрицы, хранящие такую информацию. Рассмотрен также вопрос описания эксергетического баланса системы. Ниже, на рисунке 2 представлен такой алгоритм общего эксергетического анализа ХТС. Здесь Ер, Еъ Ех - различные расчетные составляющие эксерши при изменении давления, температуры потоков и при протекании химической реакции, Е0 - начальное значение эксергии потока.

Оптимизация исследуемой ХТС проводится путем определения максимального эксергетического КПД. Первоначально делается проверка на сходимость материально-теплового баланса для всей ХТС, и, если он сходится, то сразу происходит расчет эксергетического КПД по совокупности входных и выходных потоков; в противном случае производится постадийный эксергетический анализ.

Также в главе подробно проработан вопрос модульной структуры разрабатываемой системы эксергетического анализа, определены структура и функции каждого модуля системы, связи между ними. На рисунке 3 представлена блочная структура автоматизированной системы эксергетического анализа ХТС.

' Определение тал? щиок-л /--'--

РНАЧ» РкОаГтиЧ^ТкОН £ыам& Но+Нр + Ет + Ехим

Рис 2. Блок-схема алгоритма общего эксергетического анализа ХГС

Рис 3. Бпочно-модупъная структура системы эксергеттхкого анализа ХТС

В третьей главе представлена последовательность создания программно -алгоритмического комплекса автоматизированного расчета эксергетического баланса. Определены программные модули расчета материально-теплового баланса ХТС, в соответствии с представленными алгоритмами разработаны программное обеспечение расчета эксергетического баланса и эксергетического КПД программное обеспечение для эксергетической оптимизации исследуемой ХТС, представлено техническое описание разработанных программных модулей.

Основываясь на известных расчетных зависимостях эксергетического баланса и эксергетического КПД, дополнив их разработанной теорией структурного анализа ХТС, была разработана система CTS Exergy Efficiency Calculation, позволяющая проводить эксергетический расчет и анализ ХТС. Базовая экранная форма этой системы представлен на рисунке 4.

Рис. 4. Вид экрана системы эксергетического расчета ХТС

Отличительной особенностью данной системы является встроенная база данных по физико-химических свойствам веществ. Этот модуль предназначен для хранения, поиска и редактирования необходимых для эксергетического расчета данных химических веществ и соединений. Физически представляет

обычный файл DBF-формата. Данный формат был выбран не случайно -система управления базами данных dBASE появилась на рынке программного обеспечения персональных компьютеров в 1983 г. и завоевала настолько широкую популярность и признательность, что на сегодняшний день любая современная СУБД в обязательном порядке поддерживает этот формат. Используемая в CTS Exergy Efficiency Calculation база данных представлена в виде файла PROPERTY.DBF и имеет структуру, представленную в таблице 1.

Таблица 1

Необходимая Информация Название Поля Формат поля

Тип Длина Число десятич. знаков

Название вещества ВЕЩЕСТВО Символьный 11

Молекулярная масса, кг/кмоль MRJKT/KMOJIb Числовой 7 0

Стандартная энтальпия, кДж/молъ DH298 Числовой 8 2

Стандартная энтропия, кДж/моль DS_298 Числовой 7 2

Изобарная теплоемкость, Дж/(моль *К) СР_298 Числовой 7 2

Начальная эксергия, кДж/молъ ЕО,КДЖ/МОЛЪ Числовой 8 2

Коэффициент а, Ср=/(7) КОЭФФ: А Числовой 7 2

Коэффициент Ь *10~3, СРЧ(Т) В*1Е-3 Числовой 7 2

Коэффициент с *105, сР=т С*1Е+5 Числовой 7 2

Коэффициент с' *10 , СР=№.. С'*1Е-6 Числовой 7 2

Для реализации автоматизированной системы эксергетического анализа требуется предварительно рассчитшгаый материально-тепловой баланс ХТС. Для этой цели была выбрана уже существующая система CTS Windows Manager. На языке программирования этой же системы был создан еще один модуль общей автоматизированной системы - модуль оптимизации эксергетического КПД. Этот модуль представляет собой

реализацию одного из известных методов многомерной оптимизации функции нескольких переменных - метода спирального покоординатного спуска. При объединении всех программ в единую автоматизированную систему зкссргетического анализа и оптимизации ХТС была решена задача организации общего интерфейса взаимодействия программных подсистем. Частично это было сделано выше путем разработки модулей - перекодировщиков исходной информации при разработке программного обеспечения системы CTS Exergy Efficiency Calculation. Благодаря этому удалось добиться полного совмещения формата входных, выходных а также промежуточных данных между разными подсистемами. Другая часть задачи - это определение необходимых действий и последовательности функционирования отдельных подсистем. Ниже предлагается такая схема работы программного комплекса, иллюстрация которой представлена на рисунке 5. В конце главы описаны технические подробности разработки системы, описаны форматы данных программ, а также аппаратные требования, предъявляемые к комплексу.

В четвертой главе рассматривается практическое применение разработанной системы для решения задачи эксергетического анализа и оптимизации конкретной ХТС. В качестве объекта исследования выбрана установка серогазоочистки 1-ой очереди Оренбургского газоперерабатывающего завода (ОГПЗ) при замене импортного абсорбента диэтаноламина (ДЭА) на отечественный метилдиэтаноламин (МДЭА), модифицированного добавками.

Для одновременной очистки газа от H2S и С02, на заводе рекомендуется использовать смещенный абсорбент МДЭА + ДЭА. Это позволяет сократить валютные затраты на закупку ДЭА по импорту. Кроме того, применение смешанного абсорбента дает экономию энергоносителей (горячий пар) за счет лучших теплотехнических характеристик МДЭА по сравнению с ДЭА.

В главе была подробна рассмотрена и описана схема производства, определены необходимые математические модели стадий и исходные данные,

Рис. 5. Структура и интерфейс взаимодействия программ в системе

автоматизированного оксергетического анализа и оптимизации ХТС

необходимые для автоматизированного расчета. Определены также ограничения на входные и выходные параметры схемы, рассмотрен химизм процесса. Приведены результаты расчета ХТС при использовании разработанной автоматизированной системы эксергетического расчета.

В пятой главе произведена оптимизация эксергетического КПД установки серогазоочистки, найден оптимальный вариант организации процесса. Общее время расчета и оптимизации установки ОГПЗ составило приблизительно 50 минут на компьютере с процессором Intel Pentium 75 МГц. Результаты процесса оптимизации представлены на рисунке 6. Как видно из рисунка, оптимизация проводилась по двум параметрам: по изменению кратности орошения для абсорбционной колонны и изменению концентрации смеси абсорбентов ДЭА и МДЭА. Оптимальные условия процесса наступают при изменении соотношения МДЭА к ДЭА с 0.5 до 0.8 при неизменной кратности орошения. Прирост эксергетического КПД в этом случае составляет ~1%, что позволяет снизить себестоимость газа на -1.5% , что в свою очередь дает потенциально возможный экономический эффект порядка 20 млрд. рублей в год* (учитывая, что производительность установки по очищенному газу составляет 5 млрд. м3/год).

В главе приведены результаты внедрения автоматизированной системы эксергетического анализа и оптимизации ХТС. Разработанный программно-алгоритмический комплекс был передан на использование организациям АО "ВНИИГАЗ" для оптимизации установки серогазоочистки ОГПЗ, ОАО "ВНИИОЭНГ" для решения проблемы ресурсосбережения ХТС в нефтегазовой промышленности, а также АО "НИИЦемент" для расчета эксергетических характеристик процессов и материалов, применяемых в технологии цемента, причем предполагаемый экономический эффект от внедрения составил 320 000 000 (триста двадцать миллионов) рублей.

Здесь и далее в ценах 1997 г.

ч о

ч

.¿т?

а §

<о В И'

<и

3 о

н о

О

и

Кратность орошения (Ь/С), л/м

0.50 0.75 1.00 1.25 1.50

0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90

0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90

Концентрация СО2 на выходе

1.64 1.39 1.19

"'5.97' 5.12 . 3.0 : "ЗЗф"

15.40 11.80 10.40

8.33

Концентрация Н2 £ «а выходе

0.40 3.08 2.41 1.94 1.59 1.32

0.50 3.38 2.65 >:2ЛЗ

0.60 3.71 2.92 -2.35 ,1.92 1.60

0.70 4.04 3.21 2.59 . 2.13 4.7»

0.80 4.48 3.64 2.86 ' 2.35. ȴ1.97,1 :

0.90 4.92 3.90 3.16 2.65 Щ.18Ч

Эксергетический КПД

39.54 40.24 41.07 41.58 42.19 42.76

40.03 40.68 41.38 41.86 42.43 42.95

40.71 41.80 41.34

41ЛУ 42.69 42.34 42.24| 42.189 42.61:

42. 43.22

М2.95.

43.54 43.37

Выходн. концентрац.

Размерность Макс, допуск

Н28 С02

кг(Н28)/кг(газа) кг(С02)/кг(газа)

2.40*10 7.01*10

-05

•04

Себестоимость газа

%

До оптимизации

310 руб/м

100.0

После оптимизации

306 руб/м

98.7

Рис. 6. Оптимальные условия проведения процесса серогазоочитки на Оренбургском ГПЗ

Выводы

1. На основе системно-структурного анализа общей задачи создания систем автоматизированного расчета и оптимизации, а также принципов функциональной гибкости и ориентации на конечного пользователя, разработан программно-алгоритмический комплекс автоматизированного зксергетического расчета и оптимизации ХТС произвольной структуры.

2. Определена логико - функциональная структура автоматизированной системы: комплекс включает в себя подсистемы расчета материально-теплового баланса, зксергетического баланса ХТС и общий модуль оптимизации зксергетического КПД ХТС, объединенные единым интерфейсом взаимодействия подсистем.

3. Разработаны универсальные алгоритмы структурного анализа, расчета зксергетического баланса и зксергетического КПД ХТС, на основе которых реализована методика автоматизированного зксергетического анализа любой ХТС произвольной структуры, позволяющая рассчитывать постадийное изменение термомеханической и химической составляющих эксергетических потоков ХТС при изменении физико-химических свойств потоков.

4. Разработан общий интерфейс взаимодействия программных модулей комплекса, заключающийся в обработке информации о входных и выходных данных подсистем комплекса и представлении ее в единой форме.

5. Создана структура универсальной база данных по физико-химическим и эксергетическим характеристикам веществ, которая может быть использована как информационный справочник и как самостоятельная структурная единица для конструирования подобного рода систем.

6. Разработанная система внедрена для автоматизированного решения задачи анализа и оптимизации работы установки серогазоочистки Оренбургского ГШ, получены оптимальные параметры протекания процесса (кратность

орошения и соотношение аминов в абсорбционной колонне), за счет чего выданы конкретные рекомендации об изменении технологических параметров производства. Ожидаемый экономический эффект от внедрения составил 55 ООО ООО (пятьдесят пять миллионов) рублей. Программно-алгоритмический комплекс также передан в использование организациям ОЛО "ВНИИОЭНГ" и АО "НИИЦемент" для анализа других производств, за счет чего был получен определенный экономический эффект от внедрения, составляющий 320 ООО ООО (триста двадцать миллионов) рублей.

Основные положения диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Шевинский Я. С., Бобров Д. А. Разработка автоматизированной системы эксергетического расчета и оптимизации ХТС. / Программные продукты и системы, №1,1997. с. 11 - 15.

2. Шевинский Я. С., Бобров Д. А. Разработка и применение программно-алгоритмического комплекса термодинамического анализа ХТС для решения задачи снижения и оптимизации энергозатрат в химических производствах. / XI Международная конференция молодых ученых по химии и химической технологии МКХТ - 97. Тезисы докладов секции кибернетики химико-технологических процессов. Москва, 1997, с. 65 - 67.

3. Бобров Д. А., Шевинский Я. С., Бердиян А. М. Методика расчета эксергетических характеристик карбонатных материалов. / Тезисы доклада 1-го Международного (IX Всесоюзного) совещания по химии и технологии цемента. Москва, 1996. с. 75 - 76.

4. Шевинский Я. С., Бобров Д. А., Вердиян А. М. Автоматизированный метод эксергетического анализа как способ снижения энергозатрат в

производстве вяжущих материалов. / Международная конференция "Промышленность стройматериалов и стройиндустрия, энерго- и ресурсосбережение в условиях рыночной экономики". Белгород, 1997. с. 209-211.

5. Бобров Д. А., Адаменко О. Е., Вердиян А. М., Шееинский Я. С. Автоматизированный расчет новой обжиговой системы получения цементного клинкера на основе эксергетического подхода. / Международная конференция "Промышленность стройматериалов и стройиндустрия, энерго- и ресурсосбережение в условиях рыночной экономики". Белгород, 1997. с. 249-253.

6-7 Вердиян М. А., Кушанский В. Е., Адаменко О. Е., Вердиян А. М, Шееинский Я. С., ТекучеваЕ. В., Фиделъман В. Г. Оптимизация состава сырьевой шихты для обеспечения минимальных энергозатрат при обжиге клинкера. / Цемент и его применение, №2, 1997 Часть I. Теоретические основы метода. Часть П. Практическое применение метода.